环境持久性自由基在剩余污泥热解炭化体系中的产生及迁移转化机制研究

Environmentally Persistent Free Radicals （EPFRs）are a new kind of pollutant, and the lifetimes of EPFRs are longer than that of general radials. Biochar is concerned much in recent years, which has a series of advantages, but it generates the radicals in the process of pyrolysis. In this study, excess sludge was used as raw material to prepare biochar under different pyrolysis conditions. The factors (temperature, time, surface organic functional groups and metal ) affecting the formation of EPFRs and the migration, transformation and distribution will be studied by changing the pyrolysis conditions and desorption experiments. On this basis, combining some intelligent algorithms (neural network and genetic algorithm), a multiple intelligent coupling prediction model for forecasting distribution coefficient and reaction activity will be developed with the structure parameters of EPFRs obtained with theory of quantum chemistry and calculation accuracy, which can quickly determine the reaction activity of EPFRs. The research will provide theoretical guidance and technical support for deep understanding the environmental dynamic behavior and environmental risk assessment of EPRFs, as well as the utilization of excess activated sludge and biochar.

环境持久性自由基（EPFRs）是相对传统关注的短寿命自由基提出的一类稳定性强，反应活性相对较低，且带有环境污染性和毒性化学基团的新型环境风险物质。生物质炭作为一种多功能材料正逐步受到人们的广泛关注，在其制备过程中也会生成EPFRs。本研究拟通过对剩余污泥两种不同热解炭化过程中关键因素（温度、时间、表面官能团、金属等）及生成EPFRs的分析，探究热解行为对于剩余污泥产生EPFRs的影响机制，解析EPFRs在热解及炭化后的迁移性、转化性及持久存在特性等。在此基础上，结合神经网络及遗传算法等智能理论，通过计算获得EPFRs的结构参数，建立EPFRs反应活性多元耦合智能预测模型，以揭示剩余污泥热解炭化过程中EPFRs的产生机理和迁移转化机制。本研究将为深入理解EPFRs的环境行为，为剩余污泥的无害化、稳定化、资源化利用，为生物质炭的推广应用提供理论指导和技术支撑。

环境持久性自由基（EPFRs）是相对传统关注的短寿命自由基提出的一类稳定性强，反应活性相对较低，且带有一定环境污染性和毒性化学基团的新型环境风险物质。生物质炭作为一种多功能材料正逐步受到人们的广泛关注，在其制备过程中也会生成EPFRs。本研究拟通过对剩余污泥热解过程中关键因素分析及模型的方法，探究热解行为对于剩余污泥产生EPFRs的影响机制，解析EPFRs可迁移性、转化性及持久存在特性等。研究结果表明经过水热炭化后的SBC表面粗糙，形成了多孔网络结构。水热反应增加了SBC的石墨化程度，尤其是C-O、O-H和C=O等官能团增加明显。EPFRs生成后只在固相中存在。O-EPFRs和C-EPFRs分别在120～150°C和260～280°C之间形成，且EPFRs浓度随水热温度的升高而增强，而水热停留时间和初始pH仅对EPFRs的浓度有一定的影响，不会改变EPFRs的类型。另外，O-EPFRs由SBC上的羧基与金属上的羟基消除水反应形成，半衰期为160.45天；SBC上的醛基和芳香基分别与金属上的羟基发生化学反应生成C-EPFRs，半衰期为401.10天。生物质炭上的EPFRs可将As(III)氧化为As(V)，将Cr(VI)还原为Cr(III)。同时SBC上的EPFRs可以激活过氧化物PS产生SO ̶ 4•和•OH，而且EPFRs能够将电子转移到分子氧生成O ̶ 2•，再进一步与PS反应生成SO ̶ 4•，从而进一步降解重金属与有机污染物。最后利用福井函数和双描述符进行污染物反应位点的预测，评估中间产物毒性。一级降解产物会表现出比四环素更低的毒性，二到三级降解产物的毒性虽然高于四环素，但是四级产物进一步氧化生成较小分子的羧酸后对水生生物基本无害，最后会有一部分进一步矿化分解成 CO2和H2O。本研究为深入理解EPFRs的环境行为，为剩余污泥的无害化、稳定化、资源化利用及为生物质炭的推广应用提供理论指导和技术支撑。